本發(fā)明涉及無線通信，尤指一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號快速檢測算法。

背景技術(shù)：

1、在無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是5g及未來6g?nr系統(tǒng)中，用戶設(shè)備(user?equipment，ue)在無線接入網(wǎng)絡(luò)時，首先需要實現(xiàn)下行時頻同步。這一同步過程是通過盲檢測主同步信號(primary?synchronization?signal，pss)完成的，它是ue接收到的第一個物理信號。pss檢測的成功與否直接關(guān)系到下行同步通信鏈路的建立，是用戶入網(wǎng)的關(guān)鍵步驟。

2、當(dāng)前，nr系統(tǒng)普遍采用基于cp-ofdm技術(shù)的下行傳輸方案。然而，該方案對載波頻偏和定時誤差非常敏感。多普勒頻移、收發(fā)端本振頻率偏差、多徑效應(yīng)等因素都可能破壞子載波間的正交性，從而影響系統(tǒng)的整體性能。同時，nr系統(tǒng)的高采樣率特點對載波的頻偏和定時誤差提出了更為嚴(yán)格的要求。ue需要在短時間內(nèi)快速與基站取得下行時頻同步，這對pss檢測算法的可靠性和效率提出了很高的要求。

3、盡管現(xiàn)有的pss檢測算法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)下行時頻同步，但它們在算法復(fù)雜度和抗頻偏性能上仍存在不足。高復(fù)雜度的算法會導(dǎo)致檢測時延增加，影響用戶體驗；而抗頻偏能力的不足則可能在大頻偏環(huán)境下導(dǎo)致檢測失敗，影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時延和可靠性成為越來越重要的考量因素。特別是在新時代下，對高可靠、低復(fù)雜度和低時延的主同步信號快速檢測算法的研究具有重要意義。這樣的算法能夠在保證檢測準(zhǔn)確性的同時，提高檢測速度，減少時延，從而提升基站的整體性能和用戶體驗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號快速檢測算法，主要應(yīng)用于5g/6g?nr系統(tǒng)中，基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號(pss)快速檢測算法，旨在提高用戶設(shè)備(ue)在接入網(wǎng)絡(luò)時與基站進行下行時頻同步的效率和準(zhǔn)確性，特別是在存在載波頻偏的情況下；該算法在pss粗同步檢測階段，通過滑動傅里葉變換將同步點范圍縮小至接收pss頻域序列和本地pss頻域序列做卷積運算的平移操作時的重疊區(qū)域內(nèi)，大大降低了算法的復(fù)雜度，減少了檢測時延；在pss精同步階段，該算法基于粗同步點與三個本地pss序列分別進行基于傅里葉變換的精同步點提取，并借助傅里葉變換式所攜帶的負指數(shù)階式子對頻偏進行補償，從而提高了算法的抗頻偏能力。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號快速檢測算法，所述的算法包括以下步驟：

3、s1、發(fā)射主同步信號：nr系統(tǒng)通過引入波束賦形和波束掃描原理，向外發(fā)射由主同步信號(pss)、輔同步信號(sss)和物理廣播信道(pbch)構(gòu)成的ssb同步塊，以覆蓋小區(qū)內(nèi)所有用戶。

4、s2、搭建nr系統(tǒng)信道模型：nr系統(tǒng)采用基于cp-ofdm技術(shù)的下行傳輸方案，基站發(fā)送的主同步信號(pss)經(jīng)信道傳輸后，除受高斯白噪聲影響外，還會因多普勒頻移、收發(fā)端本振頻率偏差等產(chǎn)生頻偏，ue接收到的pss序列可表示為頻偏和加性高斯白噪聲影響的函數(shù)。

5、s3、pss算法分析與改進：包括pss粗同步點提取、pss精同步點提取以及pss最終同步點提取三個階段；其中在粗同步階段中，算法利用傅里葉變換和卷積定理的性質(zhì)，通過接收端對接收到的pss序列與本地pss序列進行傅里葉變換，確定同步點位置區(qū)域，并選取峰值位置作為粗同步點；在精同步階段中，算法基于粗同步點，通過新的接收信號與本地pss序列的快速傅里葉變換同步算法，對頻偏進行補償，選取峰值最大值位置作為精同步點；最終，將粗同步點與精同步點進行運算，得到pss信號的最終同步點。

6、s4、得出算法仿真結(jié)果：在特定的子載波間隔和傳輸帶寬物理資源塊個數(shù)條件下，通過減少乘法運算量和適當(dāng)增加加法運算量，實現(xiàn)了算法運算量的整體降低，使得算法在同等信道條件下能夠更快地完成主同步信號檢測，降低了算法檢測時延。

7、所述s1中，ssb在頻域上占用240個子載波，時域上占用4個ofdm符號，其周期可變，可根據(jù)場景需求靈活配置。

8、所述s1中，通過解碼pss，獲取ofdm符號的開始位置、符號長度和物理層小區(qū)標(biāo)識(pci)，實現(xiàn)ue和基站間的下行頻率同步和符號級時間同步。

9、所述pss是一個采用頻域bpsk?m序列的長度為127的偽隨機序列，映射在ssb塊中間的127個子載波上，其是一個關(guān)于的函數(shù)，如式(1)所示：

10、

11、式中的x(n)由式(2)定義：

12、

13、pss序列可取3種不同值，與物理層小區(qū)標(biāo)識pci的組內(nèi)物理層標(biāo)識相對應(yīng)。

14、假設(shè)s(n)是基站發(fā)送的pss序列，則ue收到的pss序列r(n)可表示為：

15、

16、式中，為位置n處的頻偏(ε是歸一化頻偏，定義為δf/fsc，δf為頻偏，fsc為子載波間隔)，為信道引入的加性高斯白噪聲。

17、基于傅里葉變換式所攜帶的負指數(shù)階式子對經(jīng)信道傳輸所攜帶的正指數(shù)階頻偏式子做補償，改寫成如下表達式：

18、

19、式(6)的本質(zhì)是時域乘積信號的傅里葉變換；根據(jù)卷積定理的頻域性質(zhì)“時域乘積時，在頻域上表現(xiàn)為1/2π倍頻域卷積”，可將fk(n,m)轉(zhuǎn)換成式(5)所示：

20、

21、fft[r(n+i)]和的卷積的上下限為r(n+i)和在頻域做卷積運算的平移操作時的重疊部分的邊界，下限為兩頻域信號左邊界的最大者，上限為兩頻域信號右邊界的最小者。

22、對應(yīng)的粗同步點提取算法如式(6)所示：

23、

24、式中，f(n,m)的上下限為接收pss頻域序列fft[r(n+i)]和ue最近一次接入的小區(qū)所對應(yīng)的本地pss頻域序列做卷積運算的平移操作時的重疊部分的邊界；判斷f(n,m)的峰值，將峰值所在位置定為pss信號的粗同步點，如式(7)所示：

25、(v'max,l'max)＝argmax(|f(n,m)|)?????(7)

26、取接收信號r(n)的粗同步點前off個點至后off+n個點構(gòu)成新的接收信號r'(n)：

27、

28、(n＝l'max-off,l'max-off+1,...,l'max+off+n)??????(8)

29、式中，off是根據(jù)終端移動速度引起頻偏情況取的同步位置偏置值，n是本地pss序列采樣點數(shù)；

30、使用新的接收信號r'(n)分別與3個本地pss序列做基于快速傅里葉變換的同步算法，借助傅里葉變換式所攜帶的負指數(shù)階式子對接收pss信號的正指數(shù)階頻偏做補償，其表達式如式(9)所示：

31、

32、判斷3次傅里葉變換運算峰值，峰值最大值所在位置即為pss精同步點，如式(10)所示：

33、(v”max,l”max)＝argmax(max(|f'k(n',m)|)),(k＝0,1,2)?(10)

34、式中，f'k(n,m)是新的接收信號r'(n)在位置n'處與第k個本地pss序列的共軛做乘積后的傅里葉變換值；v”max為3次傅里葉變換峰值的最大值，l”max為v”max所對應(yīng)的位置索引，即為pss信號的精同步點。

35、所述pss最終同步點提取算法的表達式為：

36、lfinal＝l'max+l”max-off-1?(11)

37、式中，lfinal是pss信號最終同步點。

38、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的基于傅里葉變換和卷積定理的5/6g?nr系統(tǒng)主同步信號快速檢測算法，在降低算法復(fù)雜度、減少檢測時延、提高抗頻偏性能以及加速下行同步通信鏈路建立等方面均表現(xiàn)出顯著的有益效果，對于提升基站性能和用戶體驗具有重要意義，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

39、(1)顯著降低算法復(fù)雜度：本發(fā)明通過利用傅里葉變換和卷積定理進行pss信號的粗同步點提取，僅需對接收到的pss信號與最近一次接入小區(qū)所對應(yīng)的本地pss序列進行滑動傅里葉變換。這一步驟有效地將同步點的搜索范圍縮小至接收pss頻域序列和本地pss頻域序列做卷積運算時的重疊區(qū)域內(nèi)，從而大幅降低了算法的復(fù)雜度。

40、(2)減少算法檢測時延：由于算法復(fù)雜度的降低，以及通過卷積定理優(yōu)化同步點搜索范圍的方法，本發(fā)明在提取同步點時所需的處理時間顯著減少，進而降低了算法的檢測時延，加速了下行同步通信鏈路的建立過程。

41、(3)提高算法的抗頻偏性能：在精同步點提取階段，本發(fā)明通過基于傅里葉變換的方法，利用傅里葉變換式所攜帶的負指數(shù)階式子頻偏進行補償，有效提高了算法對頻率偏移的抵抗能力，使得算法在大頻偏環(huán)境下也能保持良好的檢測效果。

42、(4)加速下行同步通信鏈路的建立：本發(fā)明能夠在同等信道條件下更快地完成主同步信號的檢測，從而加速用戶終端和基站之間的下行時頻同步過程，提升了基站的整體性能和用戶體驗。